JP2008235652A - 化学機械研磨用水系分散体および半導体装置の化学機械研磨方法 - Google Patents

化学機械研磨用水系分散体および半導体装置の化学機械研磨方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜に対する十分な研磨速度を有しており、それぞれの膜に対する研磨速度をほぼ同じとした化学機械研磨用水系分散体、およびそれを用いた半導体装置の化学機械研磨方法を提供することにある。
【解決手段】本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）１０ｎｍ〜１００ｎｍの平均粒子径を有するコロイダルシリカを０．１〜４質量％と、（Ｂ）リン酸一アンモニウム、リン酸二アンモニウムおよび硫酸水素アンモニウムから選択される少なくとも１種を０．１〜３質量％と、を含み、前記（Ａ）成分と前記（Ｂ）成分の質量比（Ａ）／（Ｂ）は１〜３であり、かつｐＨは４〜５であって、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置を製造する際に用いられる化学機械研磨用水系分散体、およびその化学機械研磨用水系分散体を用いた化学機械研磨方法に関する。
通常、化学機械研磨（以下、「ＣＭＰ」ともいう。）における被研磨面は、ポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）、単結晶シリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミニウム、タングステン、銅など多種多様な材料を露出している。
従来、上記の材料のうち１種をターゲットとした化学機械研磨用水系分散体（以下、「スラリー」ともいう。）を用いて、そのターゲットとした材料をＣＭＰにより除去していた。しかしながら、他の材料との研磨速度比が大きく異なると、ターゲットとした材料が過剰に研磨され、ディッシングやエロージョン等の欠陥を引き起こすことがあった。また、ターゲットとする材料ごとに化学機械研磨用水系分散体を選択しＣＭＰにより除去しなければならず、どうしても生産性が低くなってしまうという問題があった。
近年、半導体デバイスの構造の多様化に伴い、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の３種類の材料を同時に研磨することが要求されている。この３種類の材料を同時に研磨するためには、それぞれの膜の研磨速度をほぼ同じとする化学機械研磨用水系分散体を提供しなければならない。
これまでに、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比をほぼ１．０とする化学機械研磨用水系分散体は提案されている（例えば、特許文献１ないし５参照）。しかしながら、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を同時に、しかも同じ研磨速度で研磨し得る化学機械研磨用水系分散体は存在しなかった。
特開平１１−１７６７７３号公報 特開２００１−７０６１号公報 特開２００１−３５８２０号公報 特開２００２−１９０４５８号公報 特開２００４−２６９５７７号公報
本発明の目的は、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜に対する十分な研磨速度を有しており、それぞれの膜に対する研磨速度をほぼ同じとした化学機械研磨用水系分散体、およびそれを用いた半導体装置の化学機械研磨方法を提供することにある。
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）１０ｎｍ〜１００ｎｍの平均粒子径を有するコロイダルシリカを０．１〜４質量％と、（Ｂ）リン酸一アンモニウム、リン酸二アンモニウムおよび硫酸水素アンモニウムから選択される少なくとも１種を０．１〜３質量％と、を含み、前記（Ａ）成分と前記（Ｂ）成分の質量比（Ａ）／（Ｂ）は１〜３であり、かつｐＨは４〜５であって、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨することができる。
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、さらに、硝酸、硫酸、炭酸、乳酸、ギ酸、安息香酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、マロン酸、フマル酸、マレイン酸、コハク酸、シュウ酸、フタル酸、アジピン酸、セバシン酸およびそのアンモニウム塩から選択される少なくとも１種を含むことができる。
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、シリコン酸化膜に対するポリシリコン膜の研磨速度比（ポリシリコン膜／シリコン酸化膜）およびシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比（シリコン窒化膜／シリコン酸化膜）は、０．９〜１．１であることができる。
本発明に係る半導体装置の化学機械研磨方法は、上記のいずれかの化学機械研磨用水系分散体を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨することができる。
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜に対する十分な研磨速度を有しており、それぞれの膜に対する研磨速度をほぼ同じとすることができる。これにより、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨することができる。また、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を有するデバイスを化学機械研磨すると、研磨対象に応じて途中でスラリーを交換することなく、連続的に研磨除去することができる。さらに、いずれの膜についても研磨速度はほぼ同じであるから、研磨時間を制御すれば、所望の膜厚に容易に設定することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変型例も含む。
１．化学機械研磨用水系分散体
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）１０ｎｍ〜１００ｎｍの平均粒子径を有するコロイダルシリカを０．１〜４質量％と、（Ｂ）リン酸一アンモニウム、リン酸二アンモニウムおよび硫酸水素アンモニウムから選択される少なくとも１種を０．１〜３質量％と、を含み、前記（Ａ）成分と前記（Ｂ）成分の質量比（Ａ）／（Ｂ）は、１〜３であり、かつｐＨは４〜５であって、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨することができる。以下、本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体に含まれる各成分について詳述する。
１．１ （Ａ）コロイダルシリカ
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、砥粒として、コロイダルシリカを含む。このコロイダルシリカの平均粒子径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、より好ましくは２０ｎｍ〜９０ｎｍであり、特に好ましくは３０ｎｍ〜８０ｎｍである。コロイダルシリカの平均粒子径が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内にあると、化学機械研磨用水系分散体としての保存安定性に優れるため、調製直後における性能（研磨速度など）を保持することができる。コロイダルシリカの平均粒子径が１０ｎｍ未満であると、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度が小さくなりすぎるため実用的ではない。一方、コロイダルシリカの平均粒子径が１００ｎｍを超えると、コロイダルシリカがシリコン酸化膜を機械的に研磨するようになり、シリコン酸化膜の研磨速度が大きくなりすぎてしまい、バランスを失する。
コロイダルシリカの平均粒子径は、例えば、動的光散乱式ＬＢ５５０（株式会社堀場製作所製）により、動的光散乱法を用いて測定される。この平均粒子径は、一次粒子が凝集して形成された二次粒子径を示している。コロイダルシリカは、被研磨面に対して機械的研磨作用を及ぼす際、通常二次粒子を形成しているため、二次粒子径を評価の対象としている。
コロイダルシリカの添加量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは０．１〜４質量％であり、より好ましくは０．２〜４質量％であり、特に好ましくは０．３〜３．９質量％である。コロイダルシリカの添加量が０．１質量％未満になると十分な研磨速度が得られず実用的ではない。一方、コロイダルシリカの添加量が４質量％を超えるとコロイダルシリカがシリコン酸化膜を機械的に研磨するようになり、シリコン酸化膜の研磨速度が大きくなりすぎてしまう。また、スクラッチ等の研磨時の欠損が発生することがある。
なお、本明細書における「十分な研磨速度」とは、具体的には研磨速度が２０ｎｍ／分以上であることをいう。
１．２ （Ｂ）酸アンモニウム塩
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、リン酸一アンモニウム、リン酸二アンモニウムおよび硫酸水素アンモニウムから選択される少なくとも１種のアンモニウム塩を含む。これらの酸アンモニウム塩を添加すると、シリコン窒化膜に対する研磨速度を大きくすることができる。
リン酸一アンモニウムおよびリン酸二アンモニウムは、リン酸イオンのシリコン窒化膜に対する化学的研磨作用と、アンモニウムイオンのシリコン窒化膜に対する化学的研磨作用との相乗効果によって、シリコン窒化膜に対する研磨速度を大きくすることができるものと推測される。
硫酸水素アンモニウムは、硫酸イオンのシリコン窒化膜に対する化学的研磨作用と、アンモニウムイオンのシリコン窒化膜に対する化学的研磨作用との相乗効果によって、シリコン窒化膜に対する研磨速度を大きくすることができるものと推測される。
これらの酸アンモニウム塩は、１種単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することができる。
これらの酸アンモニウム塩の添加量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは０．１〜３質量％であり、より好ましくは０．２〜２．５質量％であり、特に好ましくは０．３〜１．３質量％である。これらの酸アンモニウム塩の添加量が０．１質量％未満になると、研磨速度が著しく低下するため実用的ではない。一方、これらの酸アンモニウム塩の添加量が３質量％を超えると、これ以上酸アンモニウム塩の添加量を増加してもシリコン窒化膜の研磨速度はほとんど大きくならず、一方で化学機械研磨用水系分散体の安定性は低下してしまうため好ましくない。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体における、（Ａ）コロイダルシリカと（Ｂ）アンモニウム塩の質量比（Ａ）／（Ｂ）は、１〜３である。より好ましくは、１．３〜２．８であり、特に好ましくは、１．５〜２．５である。質量比がこの範囲内にあると、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度をほぼ同じとすることができる。これにより、これらの膜を同時に研磨するために適した化学機械研磨用水系分散体を得ることができる。質量比（Ａ）／（Ｂ）が１未満になると、機械的研磨作用は小さくなり、化学機械研磨作用とのバランスを失するため、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度をほぼ同じとすることができなくなる。一方、質量比（Ａ）／（Ｂ）が３を超えると、機械的研磨作用は大きくなり、シリコン酸化膜の研磨速度を大きくさせてしまうため、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度をほぼ同じとすることができなくなる。
１．３ ｐＨ
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体のｐＨは、４以上５以下である。ｐＨがこの範囲内にあると、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度をほぼ同じとすることができる。ｐＨは、（Ａ）成分と（Ｂ）成分の添加量、並びに後述する酸および塩基によって調整することができる。より好ましいｐＨの範囲は、４．２以上４．８以下である。ｐＨを４未満とすると、ポリシリコン膜の研磨速度を大きくすることができず、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度を大きくさせてしまいバランスを失するため、本願発明の目的を達成することができない。一方、ｐＨを５よりも大きくすると、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の研磨速度を大きくすることができず、ポリシリコン膜の研磨速度を大きくさせてしまいバランスを失するため、本願発明の目的を達成することができない。
このように、本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体のｐＨは、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度と密接に関連しているため、精密にコントロールしなければならない。したがって、本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、クエン酸バッファー、リン酸バッファー等を用いた緩衝液としてもよい。
１．４ その他の添加剤
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、下記の添加剤を添加することができる。
１．４．１ 酸またはそのアンモニウム塩
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、酸またはそのアンモニウム塩を添加することができる。酸またはそのアンモニウム塩として、硝酸、硫酸、炭酸、乳酸、ギ酸、安息香酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、マロン酸、フマル酸、マレイン酸、コハク酸、シュウ酸、フタル酸、アジピン酸、セバシン酸、またはこれらのアンモニウム塩を挙げることができる。これらの酸またはそのアンモニウム塩を添加することにより、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度を大きくすることができる。これにより、ポリシリコン膜の研磨速度との微調整を図ることができる。
１．４．２ 界面活性剤
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、界面活性剤を添加することができる。界面活性剤としては、例えば、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤を挙げることができる。
カチオン性界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン塩、脂肪族アンモニウム塩等を挙げることができる。
アニオン性界面活性剤としては、例えば、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩等を挙げることができる。カルボン酸塩としては、脂肪酸せっけん、アルキルエーテルカルボン酸塩等を挙げることができる。スルホン酸塩としては、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等を挙げることができる。硫酸エステル塩としては、例えば、高級アルコール硫酸エステル塩、アルキル硫酸エステル塩等を挙げることができる。リン酸エステルとしては、例えば、アルキルリン酸エステル等を挙げることができる。
非イオン性界面活性剤としては、例えば、エーテル型界面活性剤、エーテルエステル型界面活性剤、エステル型界面活性剤、アセチレン系界面活性剤等を挙げることができる。エーテルエステル型界面活性剤としては、例えば、グリセリンエステルのポリオキシエチレンエーテル等を挙げることができる。エステル型界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、グリセリンエステル、ソルビタンエステル等を挙げることができる。アセチレン系界面活性剤としては、例えば、アセチレンアルコール、アセチレングリコール、アセチレンジオールのエチレンオキサイド付加物を挙げることができる。
両性界面活性剤としては、例えば、ベタイン系界面活性剤を挙げることができる。
これらの界面活性剤は、１種単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することができる。
これらの界面活性剤の中では、アニオン性界面活性剤が好ましく、特にスルホン酸塩が好ましい。また、スルホン酸塩の中ではアルキルベンゼンスルホン酸塩が好ましく、特にドデシルベンゼンスルホン酸塩が好ましい。
界面活性剤の添加量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは１質量％以下であり、より好ましくは０．００１〜０．１質量％である。界面活性剤の添加量が上記の範囲内にあると、シリコン窒化膜を研磨除去した後に、平滑な被研磨面を得ることができる。
１．４．３ 酸または塩基
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、酸または塩基を添加することができる。本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体のｐＨは、上記のとおり４以上５以下とする必要がある。ここで酸および塩基は、化学機械研磨用水系分散体のｐＨを調整する目的で使用することができる。
前記酸としては、例えば、上記以外の有機酸または無機酸を挙げることができる。
有機酸としては、例えば、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、イソプレンスルホン酸、グルコン酸、グリコール酸等を挙げることができる。
前記塩基としては、有機塩基または無機塩基を挙げることができる。
有機塩基としては、例えば、テトラメチルヒドロキシド等を挙げることができる。
無機塩基としては、例えば、アルカリ金属の水酸化物を挙げることができる。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等を挙げることができる。
１．４．４ 水溶性高分子
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、水溶性高分子を添加することができる。水溶性高分子は、被研磨面の表面に吸着し研磨摩擦を低減させる機能を有する。これにより、水溶性高分子を添加すると、ディッシングやエロージョンの発生を抑制することができる。
水溶性高分子としては、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシエチルセルロース等を挙げることができる。
水溶性高分子の添加量は、化学機械研磨用水系分散体の粘度が２ｍＰａ・ｓ未満となるように調整することができる。本発明に係る化学機械研磨用水系分散体の粘度は、水溶性高分子の重量平均分子量および添加量によってほぼ決定されるので、それらのバランスを考慮しながら調整することができる。化学機械研磨用水系分散体の粘度が２ｍＰａ・ｓを超えると研磨速度が低下することがあり、また粘度が高くなりすぎて研磨布上に安定して化学機械研磨用水系分散体を供給できないことがある。その結果、研磨布の温度上昇や研磨むら（面内均一性の劣化）等が生じて、研磨速度やディッシングのばらつきが発生することがある。
１．４．５ 防食剤
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体に用いられる防食剤としては、例えば、ベンゾトリアゾールおよびその誘導体を挙げることができる。ここで、ベンゾトリアゾール誘導体とは、ベンゾトリアゾールの有する１個または２個以上の水素原子を、例えば、カルボキシル基、メチル基、アミノ基、ヒドロキシル基等で置換したものをいう。ベンゾトリアゾール誘導体としては、４−カルボキシルベンゾトリアゾールおよびその塩、７−カルボキシベンゾトリアゾールおよびその塩、ベンゾトリアゾールブチルエステル、１−ヒドロキシメチルベンゾトリアゾールまたは１−ヒドロキシベンゾトリアゾール等を挙げることができる。
防食剤の添加量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは１質量％以下であり、より好ましくは０．００１〜０．１質量％である。
１．５ 化学機械研磨用水系分散体の調製方法
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、水等の溶媒に前記各成分を溶解または分散させることにより調製することができる。溶解または分散方法は特に限定されるものではなく、均一に溶解、分散できればどんな方法を適用してもよい。また、各成分の混合順序や混合方法についても特に限定されない。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、濃縮タイプの原液として調製し、使用時に水等の溶媒で希釈して使用することもできる。
１．６ 研磨速度比
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体のシリコン酸化膜に対するポリシリコン膜の研磨速度比（ポリシリコン膜／シリコン酸化膜）、およびシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比（シリコン窒化膜／シリコン酸化膜）は、０．９〜１．１であるとよい。
シリコン酸化膜に対するポリシリコン膜の研磨速度比が０．９〜１．１の範囲内にあると、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜から形成される被研磨面を同時に、ほぼ同じ速度で研磨できる。
シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比が０．９〜１．１の範囲内にあると、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜から形成される被研磨面を同時に、ほぼ同じ速度で研磨できる。
したがって、双方の研磨速度比が０．９〜１．１の範囲内にあると、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から形成される被研磨面を同時に、ほぼ同じ速度で研磨できるので、被研磨面を平坦化することができる。
２．化学機械研磨方法および半導体装置の製造方法
本実施の形態に係る化学機械研磨方法および半導体装置の製造方法について説明する。
２．１ 化学機械研磨方法
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体を用いた半導体基板の研磨方法は、化学機械研磨用水系分散体を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、被研磨面と接触させて被研磨面と研磨パッドを相対的に動かして研磨する。研磨装置としては、半導体基板を保持するホルダーと研磨パッドを貼り付けた研磨定盤を有する一般的な研磨装置を使用することができる。研磨パッドとしては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などを使用することができる。研磨中、研磨パッドには化学機械研磨用水系分散体をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨パッドの表面が常に研磨剤で覆われている状態を保つことが好ましい。研磨終了後の半導体基板は流水でよく洗浄後、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着した水滴を払い落としてから乾燥させることが好ましい。
被処理体としては、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を有する半導体基板を挙げることができる。
例えば、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、トレンチ分離（ＳＴＩ）に用いることができる。従来、トレンチ分離では、シリコン酸化膜をＣＭＰにより除去し、シリコン窒化膜上で研磨を停止させ、シリコン窒化膜を熱リン酸で溶解させてエッチングする方法が用いられてきた。ところが、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体を用いると、シリコン酸化膜だけでなく、シリコン窒化膜についても連続的に研磨することができ、途中でＣＭＰを停止することなく生産効率の向上を図ることができる。
また、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の３種から形成される被研磨面を有する半導体装置に用いることもできる。いずれの膜についても研磨速度はほぼ同じであるため、常に平坦性を保ちながら化学機械研磨することができる。また、研磨対象ごとにスラリーを選択する必要もなく、洗浄も一度で済むため、生産効率の向上を図ることができる。
３．実施例
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこの実施例により何ら限定されるものではない。
３．１ 研磨性能評価に用いた基板の作製
まず、対角線寸法２００ｍｍのシリコンからなる半導体基板を用意する。その基板の上に、ＣＶＤ法または熱酸化法を用いて、厚さ１０００ｎｍとなるようにシリコン酸化膜を形成する。このようにして得られた基板を、「基板ａ」とする。
前記半導体基板の上に、ＣＶＤ法を用いて、厚さ２００ｎｍとなるようにシリコン窒化膜を形成する。このようにして得られた基板を、「基板ｂ」とする。
前記半導体基板の上に、ＣＶＤ法または熱酸化法を用いて、厚さ４００ｎｍとなるようにシリコン酸化膜を形成する。その後、ＣＶＤ法を用いて、厚さ６００ｎｍとなるようにポリシリコン膜を形成する。このようにして得られた基板を、「基板ｃ」とする。
３．２ 無機砥粒を含む水分散体の調製
３．２．１ コロイダルシリカを含む水分散体
本発明の実施例に使用したコロイダルシリカは、扶桑化学工業株式会社製のＰＬ−１（平均粒子径３７ｎｍ）、ＰＬ−２（５２ｎｍ）、ＰＬ−３（８９ｎｍ）、ＰＬ−２０（１８０ｎｍ）、および日産化学工業株式会社製のスノーテックス−Ｏ（平均粒子径１５ｎｍ）、スノーテックス−ＯＳ（９ｎｍ）を用いた。ＰＬ−１シリーズの平均粒子径は、動的光散乱方式ＬＢ５５０（堀場製作所製）を用いて測定した。スノーテックス−Ｏおよびスノーテックス−ＯＳの平均粒子径は、カタログ値を示す。
３．２ 化学機械研磨用水系分散体の調製
「３．２．１ コロイダルシリカを含む水分散体の調製」において調製された水分散体の所定量を容量１００００ｃｍ３のポリエチレン製の瓶に投入し、これに、表１または表２に記載の化合物を表１または表２に記載の含有量となるようにそれぞれ添加し、十分に撹拌した。その後、孔径５μｍのフィルタでろ過し、実施例１ないし８および比較例１ないし１０の化学機械研磨用水系分散体を得た。
３．３ 化学機械研磨試験
実施例１ないし８および比較例１ないし１０の化学機械研磨用水系分散体を用いて、基板ａ、基板ｂおよび基板ｃを被研磨体として、下記の＜研磨条件１＞で化学機械研磨を行った。
＜研磨条件１＞
・研磨装置：（株）荏原製作所製、型式「ＥＰＯ−１１２」
・研磨パッド：ロデール・ニッタ（株）製、「ＩＣ１０００／Ｋ−Ｇｒｏｏｖｅ」
・化学機械研磨用水系分散体供給速度：２００ｍＬ／分
・定盤回転数：５０ｒｐｍ
・研磨ヘッド回転数：５５ｒｐｍ
・研磨ヘッド押し付け圧：４．２ｐｓｉ
３．３．１ 研磨速度比の算出
被研磨体である基板ａ、基板ｂおよび基板ｃのそれぞれについて、研磨前の膜厚を光干渉式膜厚計「ＮａｎｏＳｐｅｃ ６１００」（ナノメトリクス・ジャパン（株）製）によって予め測定しておき、上記の条件で６０秒間研磨を行った。研磨後の被研磨体の膜厚を、同様に光干渉式膜厚計を用いて測定し、研磨前と研磨後の膜厚の差、すなわち化学機械研磨により減少した膜厚を求めた。この操作を２回行い、化学機械研磨により減少した膜厚の平均値を算出した。そして、化学機械研磨により減少した膜厚の平均値および研磨時間から研磨速度を算出した。
研磨速度比は、ポリシリコン膜またはシリコン窒化膜の研磨速度をシリコン酸化膜の研磨速度で除することにより算出した。この結果を表１および表２に示す。
Figure 2008235652
Figure 2008235652
３．４ 実施例１ないし８、比較例１ないし１０
実施例１ないし８、比較例１ないし１０は、表１および表２に記載のとおり、化学機械研磨用水系分散体の成分または濃度を一部変更したものである。表１および表２には、試験結果についても併せて示している。
実施例１ないし８の化学機械研磨用水系分散体では、シリコン酸化膜に対するポリシリコン膜の研磨速度比、およびシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比のいずれもが０．９〜１．１の範囲内である。また、研磨速度は、いずれの膜についても２０ｎｍ／ｍｉｎであり、化学機械研磨用水系分散体として十分な研磨性能を有している。したがって、実施例１ないし８の化学機械研磨用水系分散体を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を被研磨面とする半導体装置について化学機械研磨を行うと、いずれの膜についても同時に、ほぼ同じ研磨速度で研磨できることが示唆される。
比較例１は、コロイダルシリカの添加量を５質量％とした例である。機械的研磨作用が大きくなり、シリコン酸化膜の研磨速度を大きくしてしまうため、適用できない。
比較例２は、コロイダルシリカの添加量を０．０９質量％とした例である。いずれの膜についても研磨速度が低下し、実用的ではなく適用できない。
比較例３は、酸アンモニウム塩の添加量を４質量％とした例である。研磨速度比のバランスを失するため、適用できない。
比較例４は、酸アンモニウム塩の添加量を０．０９質量％とした例である。いずれの膜についても研磨速度が低下し、実用的ではなく適用できない。
比較例５は、質量比（Ａ）／（Ｂ）を４とした例である。機械的研磨作用が大きくなり、シリコン酸化膜の研磨速度を大きくしてしまうため、適用できない。
比較例６は、質量比（Ａ）／（Ｂ）を０．５とした例である。研磨速度比のバランスを失するため、適用できない。
比較例７は、平均粒子径を１８０ｎｍとするコロイダルシリカを用いた例である。機械的研磨作用が大きくなり、シリコン酸化膜の研磨速度を大きくしてしまうため、適用できない。
比較例８は、平均粒子径を９ｎｍとするコロイダルシリカを用いた例である。いずれの膜についても研磨速度が低下し、実用的ではなく適用できない。
比較例９は、化学機械研磨用水系分散体のｐＨを３．５とした例である。ポリシリコン膜の研磨速度に対し、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度が大きすぎるため適用できない。
比較例１０は、化学機械研磨用水系分散体のｐＨを５．６とした例である。ポリシリコン膜の研磨速度に対し、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の研磨速度が小さすぎるため適用できない。
以上のように、比較例１ないし１０の化学機械研磨用水系分散体では、本願発明の目的を達成することができない。
３．５ 実験例
３．５．１ 第１の実験例
シリコン窒化膜２０とシリコン酸化膜３０の双方を被研磨面に有する評価用基板は、内部にシリコン窒化膜２０が埋め込まれた市販のテスト用ウエハ１００をあらかじめ予備研磨することにより得られた。テスト用ウエハ１００には、セマテック８６４（セマテック社製）を用いた。図１にテスト用ウエハ１００の断面図を示す。シリコン酸化膜３０の厚さは５００ｎｍであり、シリコン窒化膜２０の厚さは１５０ｎｍである。テスト用ウエハ１００は、あらかじめＪＳＲ社製ＣＭＳ４３０１および４３０２を使用して、下記の＜研磨条件２＞で研磨した。図２に示すように、シリコン窒化膜２０の上にシリコン酸化膜３０が５０ｎｍ残存した状態で予備研磨を終了し、評価用基板を得た。
予備研磨後のテスト用ウエハ１００を光干渉式膜厚計「ＮａｎｏＳｐｅｃ ６１００」を用いて、パターン１００μｍピッチ内のシリコン窒化膜２０の上に存在するシリコン酸化膜３０の厚さを計測したところ、シリコン酸化膜３０の厚さは６０ｎｍであった。次に、触針式段差測定装置「ＨＲＰ２４０」を用いて、シリコン酸化膜３０の段差量を測定したところ段差は認められず、図２に示すようにほぼ平坦であることが確認された。
＜研磨条件２＞
・研磨装置：（株）荏原製作所製、型式「ＥＰＯ−１１２」
・研磨パッド：ロデール・ニッタ（株）製、「ＩＣ１０００／Ｋ−Ｇｒｏｏｖｅ」
・化学機械研磨用水系分散体供給速度：２００ｍＬ／分
・定盤回転数：１００ｒｐｍ
・研磨ヘッド回転数：１０７ｒｐｍ
・研磨ヘッド押し付け圧：５．０ｐｓｉ
次いで、実施例１の化学機械研磨用水系分散体を用いて、実施例１と同様の研磨条件で、９０秒間研磨を行った。研磨後、パターン１００μｍピッチ内におけるシリコン窒化膜２０上のシリコン酸化膜３０の厚さは０ｎｍであった。また、パターン１００μｍピッチ内におけるシリコン酸化膜３０のディッシング量は２ｎｍであった。したがって、シリコン窒化膜２０とシリコン酸化膜３０は、図３に示すように、ほぼ平坦化されていることが確認された。
３．５．２ 第２の実験例
ポリシリコン膜４０とシリコン酸化膜３０の双方を被研磨面に有する評価用基板は、内部にポリシリコン膜４０が埋め込まれた市販のテスト用ウエハ２００をあらかじめ予備研磨することにより得られた。テスト用ウエハ２００には、ＳＫＷ ３ＰＳ（ＳＫＷ社製）を用いた。図４にテスト用ウエハ２００の断面図を示す。ポリシリコン膜４０の厚さは６００ｎｍであり、シリコン酸化膜３０の厚さは４００ｎｍである。テスト用ウエハ２００は、あらかじめ常用のポリシリコン研磨用組成物を使用して、下記の＜研磨条件３＞で研磨した。図５に示すように、凸部のシリコン酸化膜３０の上にポリシリコン膜４０が５０ｎｍ残存した状態で予備研磨を終了し、評価用基板を得た。
予備研磨後のテスト用ウエハ１００を光干渉式膜厚計「ＮａｎｏＳｐｅｃ ６１００」を用いて、パターン１００μｍピッチ内のシリコン酸化膜３０の上に存在するポリシリコン膜４０の厚さを計測したところ、ポリシリコン膜４０の厚さは５０ｎｍであった。次に、触針式段差測定装置「ＨＲＰ２４０」を用いて、ポリシリコン膜４０の段差量を測定したところ段差は認められず、図５に示すようにほぼ平坦であることが確認された。
＜研磨条件３＞
・研磨装置：（株）荏原製作所製、型式「ＥＰＯ−１１２」
・研磨パッド：ロデール・ニッタ（株）製、「ＩＣ１０００／Ｋ−Ｇｒｏｏｖｅ」
・化学機械研磨用水系分散体供給速度：２００ｍＬ／分
・定盤回転数：５０ｒｐｍ
・研磨ヘッド回転数：５５ｒｐｍ
・研磨ヘッド押し付け圧：４．２ｐｓｉ
次いで、実施例１の化学機械研磨用水系分散体を用いて、実施例１と同様の研磨条件で、９０秒間研磨を行った。研磨後、パターン１００μｍピッチ内におけるシリコン酸化膜３０上のポリシリコン膜４０の厚さは０ｎｍであった。また、パターン１００μｍピッチ内におけるシリコン酸化膜３０のディッシング量は４ｎｍであった。したがって、シリコン酸化膜３０とポリシリコン膜４０は、図６に示すように、ほぼ平坦化されていることが確認された。
第１の実験例および第２の実験例の結果は、本願発明に係る化学機械研磨用水系分散体を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の３種を被研磨面に有する基板を研磨すると、いずれの膜についてもほぼ同じ速度で研磨することができるため、ディッシングを生ずることなく平坦化されることを示している。
第１の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。 第１の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。 第１の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。 第２の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。 第２の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。 第２の実験例に用いる評価用基板を模式的に示した断面図である。
符号の説明
１０…シリコン基板、２０…シリコン窒化膜、３０…シリコン酸化膜、４０…ポリシリコン膜、１００・２００…評価用基板

Claims (4)

  1. （Ａ）１０ｎｍ〜１００ｎｍの平均粒子径を有するコロイダルシリカを０．１〜４質量％と、
    （Ｂ）リン酸一アンモニウム、リン酸二アンモニウムおよび硫酸水素アンモニウムから選択される少なくとも１種を０．１〜３質量％と、
    を含み、
    前記（Ａ）成分と前記（Ｂ）成分の質量比（Ａ）／（Ｂ）は１〜３であり、かつｐＨは４〜５である、
    ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨するための化学機械研磨用水系分散体。
  2. 請求項１において、
    さらに、硝酸、硫酸、炭酸、乳酸、ギ酸、安息香酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、マロン酸、フマル酸、マレイン酸、コハク酸、シュウ酸、フタル酸、アジピン酸、セバシン酸およびそのアンモニウム塩から選択される少なくとも１種を含む、化学機械研磨用水系分散体。
  3. 請求項１または２において、
    シリコン酸化膜に対するポリシリコン膜の研磨速度比（ポリシリコン膜／シリコン酸化膜）およびシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の研磨速度比（シリコン窒化膜／シリコン酸化膜）は、０．９〜１．１である、化学機械研磨用水系分散体。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の化学機械研磨用水系分散体を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から選択される２種以上から形成される被研磨面を同時に研磨する、半導体装置の化学機械研磨方法。
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